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Die Erfindung betrifft eine Anordnung eines Kolbens in einem Zylinder eines Zylindergehäuses für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Anordnung eines Kolbens in einem Zylinder eines Zylindergehäuses für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ist beispielsweise bereits der
EP 2 133 520 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei der Anordnung ist der Kolben translatorisch bewegbar in dem Zylinder angeordnet und dabei zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt relativ zu dem Zylindergehäuse translatorisch bewegbar. Außerdem ist der Kolben, insbesondere auf seinem Weg von einem der Totpunkte in den jeweils anderen Totpunkt und umgekehrt an einer den Zylinder begrenzenden Zylinderwand des Zylindergehäuses in radialer Richtung des Kolbens abstützbar.
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Des Weiteren offenbart die
DE 10 2004 048 672 A1 einen Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug, mit einem Motorblock mit einem innerhalb einer Zylinderbohrung bewegbaren Kolben, der einen Kolbenschaft und einen Boden aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb der Hubkolbenmaschine realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Anordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter und somit wirkungsgradgünstiger Betrieb der beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Hubkolbenmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zylinderwand in zumindest einem Bereich, den zumindest ein Teil des Kolbens auf seinem Weg von einem der Totpunkte in den jeweils anderen Totpunkt und umgekehrt überstreicht, wenigstens eine Ausspritzöffnung zum Ausspritzen von Öl aufweist. Darunter, dass zumindest ein Teil des Kolbens auf dessen Weg von einem der Totpunkte in den jeweils anderen Totpunkt und umgekehrt den genannten Bereich der Zylinderwand überstreicht, ist insbesondere zu verstehen, dass sich zumindest der Teil des Kolbens über den genannten Bereich der Zylinderwand hinwegbewegt, wenn sich der Kolben von dem einen Totpunkt in den anderen Totpunkt und umgekehrt bewegt. Somit nimmt der Kolben auf seinem Weg von dem einen Totpunkt in den anderen Totpunkt und umgekehrt wenigstens eine Stellung ein, in der beispielsweise zumindest der Teil des Kolbens in radialer Richtung des Kolbens nach außen hin durch den Bereich der Zylinderwand überdeckt ist.
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Da sich zumindest der Teil des Kolbens über den genannten Bereich der Zylinderwand hinwegbewegt, wenn sich der Kolben von dem einen Totpunkt in den anderen Totpunkt und umgekehrt bewegt, und da die Ausspritzöffnung von Öl durchströmbar ist, sodass über die Ausspritzöffnung Öl, insbesondere aus dem Bereich, ausgespritzt werden kann, können der Kolben und somit beispielsweise die Zylinderwand besonders vorteilhaft mit dem als Schmiermittel fungierenden Öl benetzt werden, sodass sich eine besonders vorteilhafte Beölung eines sogenannten tribologischen Kontakts zwischen dem Kolben und der Zylinderwand realisieren lässt. Der tribologische Kontakt wird auch als Tribokontakt bezeichnet. Durch die vorteilhafte Beölung des Tribokontakts können die innere Reibung und somit die Reibleistung der beispielsweise als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Hubkolbenmaschine besonders gering gehalten werden, sodass beispielsweise der Kraftstoffverbrauch und somit die CO2-Emissionen der Verbrennungskraftmaschine in einem besonders geringen Rahmen gehalten werden können.
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Der Erfindung liegt dabei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass bei herkömmlichen Hubkolbenmaschinen eine Versorgung des genannten Tribokontakts mit Schmieröl durch einen Ölnebel und eine Kolbenspritze erfolgt. Der Ölnebel entsteht beispielsweise in dem Zylinder beziehungsweise in dem beispielsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildeten Zylindergehäuse. Mittels der Kolbenspritze wird beispielsweise Schmieröl, insbesondere von unten, gegen den Kolben und/oder gegen die Zylinderwand gespritzt. Dabei wird insbesondere ein Nebeneffekt der üblicherweise zur Kühlung des Kolbens zum Einsatz kommenden Kolbenspritze genutzt. Durch den Einsatz der in dem Bereich der Zylinderwand angeordneten Ausspritzöffnung kann nun das Öl an zumindest einer besonders vorteilhaften Stelle zwischen den Kolben und die Zylinderwand gebracht werden, sodass sich eine besonders vorteilhafte Schmierölversorgung darstellen lässt. Ferner ist es üblicherweise vorgesehen, dass die Kolbenspritze zunehmend in weiten Fahrbereichen der Hubkolbenmaschine abgeschaltet wird, um Kraftstoff und somit CO2-Emissionen zu sparen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist es nun möglich, trotz eines solchen Ausschaltens der Kolbenspritze auf einfache und effiziente sowie effektive Weise eine Mangelschmierung des genannten Tribokontakts zu vermeiden.
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Insbesondere ermöglicht es die Anordnung, eine aktive Beölung der auch als Laufbahn bezeichneten oder eine solche Laufbahn für den Kolben bildenden Zylinderwand zu realisieren, sodass eine Mangelschmierung vermieden und eine besonders vorteilhafte Schmierung zwischen der Zylinderwand beziehungsweise der Laufbahn und dem Kolben dargestellt werden kann. Die Ausspritzöffnung ist beispielsweise als Bohrung, insbesondere als Langlochbohrung, ausgebildet, sodass über die Ausspritzöffnung beispielsweise besonders vorteilhaft Öl zwischen den Kolben, seine Kolbenringe und die auch als Zylinderlaufbahn bezeichnete Laufbahn eingebracht werden kann. Die Beölung über die Ausspritzöffnung kann dabei zumindest im Wesentlichen oder konstant oder in Abhängigkeit von Last und/oder Drehzahl der Hubkolbenmaschine spezifisch und somit beispielsweise intermittierend erfolgen. Mit anderen Worten stellt die Anordnung eine Zuschalt- bzw. Abschaltmöglichkeit der Ölversorgung bereit. Zum einen ist die Ausspritzöffnung an die Ölversorgung im Kurbelgehäuse angeschlossen und unterliegt damit unterschiedlichen Druckniveaus, wobei ein Überölen durch eine zu hohe Einspritzmenge unbedingt vermieden werden sollte, da dieses wiederum mit einer Reibungserhöhung bzw. mit Leistungsverlusten verbunden ist. Zum anderen sollte die Zuschaltung nur dann erfolgen wenn Mangelschmierungszustände zu einer Reibungserhöhung durch Mischreibung bzw. zu einer erhöhten Körperschallanregung führen. Dabei ist das Ziel, die Zuschaltung der Kolbenspritze mit Fokus Kolbenkühlung mit der Zuschaltung der Ölzuführung über die Zylinderlaufbahn betriebspunktabhängig optimal zu kombinieren. Insbesondere kann die Langlochbohrung als eine Aufsplittung z.B. auf zwei Zuführbohrungen außerhalb der Mischreibungszonen ausgeführt sein.
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Um bei herkömmlichen Hubkolbenmaschinen Mangelschmierung zu vermeiden, wird die zuvor genannte Kolbenspritze eingeschaltet, was jedoch eine zusätzliche Förderleistung von beispielsweise 200 Watt bei Teillast erfordert. Dies führt zu einer Kraftstoffverbrauchserhöhung. Ferner wird der Kolben durch das Einschalten der Kolbenspritze übermäßig stark gekühlt, wodurch der thermodynamische Wirkungsgrad der Hubkolbenmaschine beeinträchtigt werden kann. Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können mittels der erfindungsgemäßen Anordnung vermieden werden. Hierzu wird beispielsweise die Ausspritzöffnung mit Öl aus einem ölkanal, insbesondere aus einem Hauptölkanal, versorgt, welcher während eines Betriebs der Hubkolbenmaschine ohnehin von dem Öl durchströmt wird. Hierdurch kann eine Mangelschmierung des Tribokontakts ohne zusätzliche Förderleistung vermieden werden. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Kolbens in einem Zylinder eines Zylindergehäuses für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs; und
- 2 ausschnittsweise eine weitere schematische Schnittansicht der Anordnung.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen jeweils ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Anordnung eines Kolbens 12 in einem Zylinder 14 eines Zylindergehäuses 16 für eine Hubkolbenmaschine. Die Hubkolbenmaschine ist vorzugsweise eine Verbrennungskraftmaschine und Bestandteil eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, welches insbesondere als Kraftwagen und dabei beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildet und mittels der Hubkolbenmaschine antreibbar ist.
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Hierzu umfasst die Hubkolbenmaschine beispielsweise eine insbesondere als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle, welche beispielsweise zumindest mittelbar drehbar an dem Zylindergehäuse 16 gelagert und somit um eine Drehachse relativ zu dem beispielsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildeten Zylindergehäuse 16 drehbar ist. Der Kolben 12 ist dabei translatorisch bewegbar in dem Zylinder 14 aufgenommen und zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt relativ zu dem Zylindergehäuse 16 bewegbar. Dabei ist der Kolben 12 über ein in den Fig. nicht dargestelltes Pleuel gelenkig mit der Abtriebswelle verbunden, sodass die translatorischen Bewegungen des Kolbens 12 in eine rotatorische Bewegung der Abtriebswelle um ihre Drehachse umgewandelt werden.
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Aus 1 und 2 ist erkennbar, dass das Zylindergehäuse 16 eine den Zylinder 14 begrenzende Zylinderwand 18 aufweist, welche auch als Laufbahn oder Zylinderlaufbahn bezeichnet wird. Dabei ist der Kolben 12 in radialer Richtung des Kolbens 12 nach außen hin an der Zylinderwand 18 abstützbar, insbesondere auf seinem Weg von einem der Totpunkte in den anderen Totpunkt und umgekehrt. Die radiale Richtung des Kolbens 12 ist dabei in den Fig. durch einen Doppelpfeil 20 veranschaulicht.
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Der Kolben 12 weist wenigstens eine Ringnut 22 auf, in welcher ein Kolbenring 24 teilweise aufgenommen ist. Der Kolbenring 24 ist beispielsweise als Ölabstreifring ausgebildet und zu einem ersten Teil in der Ringnut 22 angeordnet und ragt zu einem zweiten Teil aus der Ringnut 22 heraus, sodass der zweite Teil des Kolbenrings 24 den Kolben 12 in radialer Richtung des Kolbens 12 nach außen hin überragt. Bei einer Bewegung des Kolbens 12 aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt und umgekehrt gleitet beispielsweise der Kolbenring 24 an der Zylinderwand 18 ab und bewegt sich somit über die Zylinderwand 18, sodass der Kolbenring 24 die Zylinderwand 18 überstreift.
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Um nun einen besonders effizienten und somit wirkungsgradgünstigen und kraftstoffverbrauchsarmen Betrieb der Hubkolbenmaschine realisieren zu können, weist die Zylinderwand 18 in zumindest einem Bereich B, den zumindest ein Teil T des Kolbens 12 auf dessen Weg von einem der Totpunkte in den jeweils anderen Totpunkt und umgekehrt überstreicht, wenigstens eine Ausspritzöffnung 26 zum Ausspritzen von Öl 28 auf. Mit anderen Worten bewegt sich zumindest der Teil T des Kolbens 12 dann, wenn sich der Kolben 12 aus dem unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt und zurück aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt bewegt, über den Bereich B hinweg, sodass zumindest der Teil T den Bereich B überstreift. Die Ausspritzöffnung 26 ist von dem auch als Schmieröl bezeichneten und als Schmieröl fungierenden Öl 28 durchströmbar, sodass das Öl 28 aus der Ausspritzöffnung 26 gespritzt werden kann. Hierdurch können sowohl der Kolben 12 als auch die Zylinderwand 18 besonders vorteilhaft mit dem Öl 28 versorgt, das heißt beölt werden, sodass eine besonders vorteilhafte Schmierung der Hubkolbenmaschine realisierbar ist. Da der Kolben 12 an der Zylinderwand 18 in radialer Richtung des Kolbens 12 abstützbar ist, bilden der Kolben 12 und die Zylinderwand 18 einen sogenannten tribologischen Kontakt, welcher auch als Tribokontakt bezeichnet wird. Dieser Tribokontakt kann mittels der Ausspritzöffnung 26 besonders vorteilhaft mit Öl versorgt werden, sodass sich die innere Reibung und somit die Reibleistung der Hubkolbenmaschine in einem besonders geringen Rahmen halten lassen.
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Aus 1 und 2 ist besonders gut erkennbar, dass der Kolben 12 wenigstens einen Ölkanal in Form einer Ölnut 30 aufweist, welche beispielsweise als Ölbohrung ausgebildet ist. Die Ölnut 30 ist eine Ausnehmung, welche beispielsweise den Kolben 12 in dessen Umfangsrichtung vollständig durchgehend umläuft und dabei in radialer Richtung nach innen hin durch den Kolben 12 beziehungsweise durch eine Wandung 32 des Kolbens 12, begrenzt ist. In radialer Richtung des Kolbens 12 nach außen hin ist die Ölnut 30 offen.
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Wenn sich er Kolben in einem der Totpunkte, insbesondere in dem oberen Totpunkt, befindet, ist zumindest ein Teil der Ölnut 30 in radialer Richtung des Kolbens 12 nach außen hin von der Ausspritzöffnung 26 überdeckt, sodass das Öl 28, welches aus der Ausspritzöffnung 26 ausgespritzt wird, zumindest zum Teil in die Ölnut 30 eingespritzt wird. Über die Ölnut 30 kann sich das aus der Ausspritzöffnung 26 ausgespritzte und in die Ölnut 30 eingespritzte Öl besonders vorteilhaft in Umfangsrichtung des Kolbens 12 verteilen, sodass der Kolben 12 um seine Umfangsrichtung besonders vorteilhaft geschmiert werden kann. In 2 ist durch einen Pfeil a eine Beschleunigung des Kolbens 12 veranschaulicht, wobei der Kolben 12 beispielsweise die Beschleunigung a erfährt, wenn sich der Kolben 12 aus einem oberen Totpunkt, in welchem der Kolben 12 vorübergehend in Ruhe ist, in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt.
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Aus 1 ist erkennbar, dass sich das aus der Ausspritzöffnung 26 ausgespritzte Öl 28 zunächst in der Ölnut 30 sammeln kann. Aus 2 ist erkennbar, dass das Öl 28, welches sich zunächst in der Ölnut 30 gesammelt hat, aus der Ölnut 30 ausströmen und zwischen den Kolben 12 und die Zylinderwand 18 strömen kann, um den zuvor beschriebenen Tribokontakt besonders vorteilhaft zu schmieren. Dabei ist beispielsweise die Ölnut 30 an einem Kolbenhemd 34 des Kolbens 12 vorgesehen oder oberhalb des Kolbenhemds 34 angeordnet und dabei beispielsweise in axialer Richtung des Kolbens 12 zwischen dem Kolbenhemd 34 und der Ringnut 22 angeordnet. Dabei ist die axiale Richtung des Kolbens 12 in den Fig. durch einen Doppelpfeil 36 veranschaulicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2133520 A1 [0002]
- DE 102004048672 A1 [0003]
